JP2016161310A - Force detection device and robot - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、力検出装置およびロボットに関する。 The present invention relates to a force detection device and a robot.
近年、生産効率向上を目的として、工場等の生産施設への産業用ロボット導入が進められている。このような産業ロボットは、1軸または複数軸方向に対して駆動可能なアームと、アーム先端側に取り付けられる、ハンド、部品検査用器具または部品搬送用器具等のエンドエフェクターとを備えており、部品の組み付け作業、部品加工作業等の部品製造作業、部品搬送作業および部品検査作業等を実行することができる。 In recent years, industrial robots have been introduced into production facilities such as factories for the purpose of improving production efficiency. Such an industrial robot includes an arm that can be driven in the direction of one axis or a plurality of axes, and an end effector such as a hand, a component inspection instrument, or a component transfer instrument that is attached to the tip of the arm. Parts manufacturing work such as parts assembly work, parts processing work, parts transport work, parts inspection work, etc. can be executed.
このような産業用ロボットにおいては、アームとエンドエフェクターとの間に、力検出装置が設けられている。力検出装置は、アームの先端部に設けられるので、ロボットが搬送可能な重量(可搬重量)のうちの一部をその力検出装置の重量が占めてしまう。このため、力検出装置は、軽量であることが好ましい。 In such an industrial robot, a force detection device is provided between the arm and the end effector. Since the force detection device is provided at the tip of the arm, the weight of the force detection device occupies a part of the weight that can be transported by the robot (portable weight). For this reason, it is preferable that a force detection apparatus is lightweight.
特許文献1には、第1プレートと、第1プレートから所定の間隔を隔てて配置され、第1プレートに対向する第2プレートと、第1プレートと第2プレートとの間に配置されたセンサー素子(圧電素子)とを備える力検出装置が記載されている。第1プレートは、その中央部に、第2プレートに向って突出した第1押圧部を有し、第2プレートは、その中央部に、第1プレートに向って突出した第2押圧部を有しており、センサー素子は、第1押圧部と第2押圧部とで挟持されている。第1プレートと第2プレートとの少なくとも一方に外力が加わると、センサー素子は、その外力に応じた電荷を出力し、これにより、前記外力を検出することができる。また、第1押圧部を有する第1プレートおよび第2押圧部を有する第2プレートは、それぞれ、線膨張係数が比較的小さいステンレス鋼等で一体的に形成されている。このため、第1プレートおよび第2プレートが熱膨張した場合の影響を少なくすることができ、力検出装置の検出精度を高くすることができる。 In Patent Document 1, a first plate, a second plate disposed at a predetermined interval from the first plate, and opposed to the first plate, and a sensor disposed between the first plate and the second plate. A force detection device comprising an element (piezoelectric element) is described. The first plate has a first pressing portion projecting toward the second plate at a central portion thereof, and the second plate has a second pressing portion projecting toward the first plate at the central portion thereof. The sensor element is sandwiched between the first pressing portion and the second pressing portion. When an external force is applied to at least one of the first plate and the second plate, the sensor element outputs an electric charge according to the external force, thereby detecting the external force. Further, the first plate having the first pressing portion and the second plate having the second pressing portion are integrally formed of stainless steel or the like having a relatively small linear expansion coefficient. For this reason, the influence when the first plate and the second plate are thermally expanded can be reduced, and the detection accuracy of the force detection device can be increased.
しかしながら、特許文献1に記載の力検出装置では、第1プレートおよび第2プレートは、それぞれ、その全体が、ステンレス鋼で構成されており、ステンレス鋼は、線膨張係数が小さい反面、密度が比較的大きいので、重量が大きいという問題がある。 However, in the force detection device described in Patent Document 1, each of the first plate and the second plate is entirely made of stainless steel, and stainless steel has a small coefficient of linear expansion, but has a relatively low density. There is a problem that the weight is large.
なお、力検出装置の検出精度は高く維持しなれければならないので、軽量化のために、第1プレートを構成する材料および第2プレートを構成する材料として、単に密度の小さい材料を選択することはできない。 Since the detection accuracy of the force detection device must be kept high, simply select a material with a low density as the material constituting the first plate and the material constituting the second plate for weight reduction. I can't.
本発明の目的は、軽量で、かつ、優れた検出精度を有する力検出装置およびロボットを提供することにある。 An object of the present invention is to provide a force detection device and a robot that are lightweight and have excellent detection accuracy.
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態または適用例として実現することが可能である。 SUMMARY An advantage of some aspects of the invention is to solve at least a part of the problems described above, and the invention can be implemented as the following forms or application examples.
[適用例1]
本発明に係わる力検出装置は、第1部材と、
前記第1部材に結合する第2部材と、
前記第2部材に結合する圧電素子と、を有し、
前記第1部材を構成する材料は、前記第2部材を構成する材料とは異なることを特徴とする。
[Application Example 1]
A force detection device according to the present invention includes a first member,
A second member coupled to the first member;
A piezoelectric element coupled to the second member,
The material constituting the first member is different from the material constituting the second member.
これにより、第1部材を構成する材料として、第2部材を構成する材料と異なる材料を自在に選択することができ、同様に、第2部材を構成する材料として、第1部材を構成する材料と異なる材料を自在に選択することができる。 As a result, a material different from the material constituting the second member can be freely selected as the material constituting the first member, and similarly, the material constituting the first member as the material constituting the second member. Different materials can be selected freely.
そして、例えば、第1部材を構成する材料を第2部材を構成する材料よりも密度が小さい材料とすることにより、力検出装置の軽量化を図ることができる。 For example, when the material constituting the first member is a material having a lower density than the material constituting the second member, the weight of the force detection device can be reduced.
また、第2部材の熱膨張は、第1部材の熱膨張よりも力検出装置の検出精度の悪化への影響が大きいので、第2部材を構成する材料を第1部材を構成する材料よりも線膨張係数が小さいものとすることにより、力検出装置が加熱された場合、第2部材の熱膨張による変形量を小さくすることができ、圧電素子に不要な力が加わることを抑制することができる。これにより、力検出装置の検出精度を向上させることができる。 Further, since the thermal expansion of the second member has a greater influence on the deterioration of the detection accuracy of the force detection device than the thermal expansion of the first member, the material constituting the second member is made more than the material constituting the first member. By making the coefficient of linear expansion small, when the force detection device is heated, the amount of deformation due to thermal expansion of the second member can be reduced, and it is possible to suppress unnecessary force from being applied to the piezoelectric element. it can. Thereby, the detection accuracy of the force detection device can be improved.
また、第2部材を構成する材料を第1部材を構成する材料よりも耐力が大きいものとすることにより、第2部材の強度を高くすることができ、与圧ボルトにより第2部材を介して圧電素子に与圧を与える場合、第2部材の変形を抑制することができる。これにより、力検出装置の検出精度を向上させることができる。 Moreover, the strength of the second member can be increased by making the material constituting the second member stronger than the material constituting the first member. When applying pressure to the piezoelectric element, the deformation of the second member can be suppressed. Thereby, the detection accuracy of the force detection device can be improved.
[適用例2]
本発明に係わる力検出装置では、前記第1部材は、板状をなし、
前記圧電素子および前記第2部材は、前記第1部材の端部に配置され、
前記第1部材の中央部に、貫通孔が形成されていることが好ましい。
[Application Example 2]
In the force detection device according to the present invention, the first member has a plate shape,
The piezoelectric element and the second member are disposed at an end portion of the first member,
It is preferable that a through hole is formed in the central portion of the first member.
力検出装置が加熱されると、第1部材は、熱膨張し、その中央部が突出するように変形するが、貫通孔の部分において第1部材の変形量を小さくすることができ、圧電素子に不要な力が加わることを抑制することができる。これにより、力検出装置の検出精度を向上させることができる。 When the force detection device is heated, the first member is thermally expanded and deformed so that the central portion protrudes, but the deformation amount of the first member can be reduced at the through hole portion, and the piezoelectric element It is possible to suppress unnecessary force from being applied. Thereby, the detection accuracy of the force detection device can be improved.
[適用例3]
本発明に係わる力検出装置では、第3部材と、
前記第3部材に結合し、前記第2部材とで前記圧電素子を挟持する第4部材と、を有し、
前記第3部材を構成する材料は、前記第4部材を構成する材料とは異なることが好ましい。
[Application Example 3]
In the force detection device according to the present invention, a third member;
A fourth member coupled to the third member and sandwiching the piezoelectric element with the second member;
It is preferable that the material constituting the third member is different from the material constituting the fourth member.
これにより、第3部材を構成する材料として、第4部材を構成する材料と異なる材料を自在に選択することができ、同様に、第4部材を構成する材料として、第3部材を構成する材料と異なる材料を自在に選択することができる。 Thereby, a material different from the material constituting the fourth member can be freely selected as the material constituting the third member, and similarly, the material constituting the third member as the material constituting the fourth member. Different materials can be selected freely.
そして、例えば、第3部材を構成する材料を第4部材を構成する材料よりも密度が小さい材料とすることにより、力検出装置の軽量化を図ることができる。 For example, the weight of the force detection device can be reduced by making the material constituting the third member a material having a lower density than the material constituting the fourth member.
また、第4部材の熱膨張は、第3部材の熱膨張よりも力検出装置の検出精度の悪化への影響が大きいので、第4部材を構成する材料を第3部材を構成する材料よりも線膨張係数が小さいものとすることにより、力検出装置が加熱された場合、第4部材の熱膨張による変形量を小さくすることができ、圧電素子に不要な力が加わることを抑制することができる。これにより、力検出装置の検出精度を向上させることができる。 Further, since the thermal expansion of the fourth member has a greater influence on the deterioration of the detection accuracy of the force detection device than the thermal expansion of the third member, the material constituting the fourth member is made more than the material constituting the third member. By making the coefficient of linear expansion small, when the force detection device is heated, the amount of deformation due to thermal expansion of the fourth member can be reduced, and it is possible to suppress unnecessary force from being applied to the piezoelectric element. it can. Thereby, the detection accuracy of the force detection device can be improved.
また、第4部材を構成する材料を第3部材を構成する材料よりも耐力が大きいものとすることにより、第4部材の強度を高くすることができ、与圧ボルトにより第4部材を介して圧電素子に与圧を与える場合、第4部材の変形を抑制することができる。これにより、力検出装置の検出精度を向上させることができる。 Moreover, the strength of the fourth member can be increased by making the material constituting the fourth member stronger than the material constituting the third member. When applying pressure to the piezoelectric element, the deformation of the fourth member can be suppressed. Thereby, the detection accuracy of the force detection device can be improved.
[適用例4]
本発明に係わる力検出装置では、前記第3部材は、板状をなし、
前記圧電素子および前記第4部材は、前記第3部材の端部に配置され、
前記第3部材の中央部に、貫通孔が形成されていることが好ましい。
[Application Example 4]
In the force detection device according to the present invention, the third member has a plate shape,
The piezoelectric element and the fourth member are disposed at an end of the third member,
It is preferable that a through hole is formed in a central portion of the third member.
力検出装置が加熱されると、第3部材は、熱膨張し、その中央部が突出するように変形するが、貫通孔の部分において第3部材の変形量を小さくすることができ、圧電素子に不要な力が加わることを抑制することができる。これにより、力検出装置の検出精度を向上させることができる。 When the force detection device is heated, the third member is thermally expanded and deformed so that the central portion protrudes, but the deformation amount of the third member can be reduced at the through hole portion, and the piezoelectric element It is possible to suppress unnecessary force from being applied. Thereby, the detection accuracy of the force detection device can be improved.
[適用例5]
本発明に係わる力検出装置では、前記第2部材を構成する材料は、前記第4部材を構成する材料とは同一であることが好ましい。
[Application Example 5]
In the force detection device according to the present invention, it is preferable that the material constituting the second member is the same as the material constituting the fourth member.
これにより、第2部材と第4部材との熱膨張の差を小さくすることができ、圧電素子に不要な力が加わることを抑制することができる。 Thereby, the difference of thermal expansion of the 2nd member and the 4th member can be made small, and it can control that unnecessary force is added to a piezoelectric element.
[適用例6]
本発明に係わる力検出装置では、前記第1部材を構成する材料は、前記第3部材を構成する材料とは同一であることが好ましい。
[Application Example 6]
In the force detection apparatus according to the present invention, it is preferable that the material constituting the first member is the same as the material constituting the third member.
これにより、第1部材と第3部材との熱膨張の差を小さくすることができ、圧電素子に不要な力が加わることを抑制することができる。 Thereby, the difference of thermal expansion of the 1st member and the 3rd member can be made small, and it can control that unnecessary force is added to a piezoelectric element.
[適用例7]
本発明に係わる力検出装置では、前記第3部材を構成する材料の密度は、前記第4部材を構成する材料の密度よりも小さいことが好ましい。
これにより、力検出装置の軽量化を図ることができる。
[Application Example 7]
In the force detection device according to the present invention, it is preferable that the density of the material constituting the third member is smaller than the density of the material constituting the fourth member.
Thereby, weight reduction of a force detection apparatus can be achieved.
[適用例8]
本発明に係わる力検出装置では、前記第4部材を構成する材料の耐力は、前記第3部材を構成する材料の耐力よりも大きいことが好ましい。
[Application Example 8]
In the force detection device according to the present invention, it is preferable that the proof stress of the material constituting the fourth member is larger than the proof stress of the material constituting the third member.
これにより、第4部材の強度を高くすることができ、与圧ボルトにより第4部材を介して圧電素子に与圧を与える場合、第4部材の変形を抑制することができる。これにより、力検出装置の検出精度を向上させることができる。 Thereby, the intensity | strength of a 4th member can be made high and when applying a pressurization to a piezoelectric element via a 4th member with a pressurization volt | bolt, a deformation | transformation of a 4th member can be suppressed. Thereby, the detection accuracy of the force detection device can be improved.
[適用例9]
本発明に係わる力検出装置では、前記第4部材を構成する材料の線膨張係数は、前記第3部材を構成する材料の線膨張係数よりも小さいことが好ましい。
[Application Example 9]
In the force detection device according to the present invention, it is preferable that the linear expansion coefficient of the material forming the fourth member is smaller than the linear expansion coefficient of the material forming the third member.
これにより、力検出装置が加熱された場合、第4部材の熱膨張による変形量を小さくすることができ、圧電素子に不要な力が加わることを抑制することができる。これにより、力検出装置の検出精度を向上させることができる。 Thereby, when a force detection apparatus is heated, the deformation amount by the thermal expansion of a 4th member can be made small, and it can suppress that unnecessary force is added to a piezoelectric element. Thereby, the detection accuracy of the force detection device can be improved.
[適用例10]
本発明に係わる力検出装置では、前記第1部材を構成する材料の密度は、前記第2部材を構成する材料の密度よりも小さいことが好ましい。
これにより、力検出装置の軽量化を図ることができる。
[Application Example 10]
In the force detection device according to the present invention, it is preferable that the density of the material constituting the first member is smaller than the density of the material constituting the second member.
Thereby, weight reduction of a force detection apparatus can be achieved.
[適用例11]
本発明に係わる力検出装置では、前記第2部材を構成する材料の耐力は、前記第1部材を構成する材料の耐力よりも大きいことが好ましい。
[Application Example 11]
In the force detection device according to the present invention, it is preferable that the proof stress of the material constituting the second member is larger than the proof stress of the material constituting the first member.
これにより、第2部材の強度を高くすることができ、与圧ボルトにより第2部材を介して圧電素子に与圧を与える場合、第2部材の変形を抑制することができる。これにより、力検出装置の検出精度を向上させることができる。 Thereby, the intensity | strength of a 2nd member can be made high and when applying a pressurization to a piezoelectric element via a 2nd member with a pressurization volt | bolt, a deformation | transformation of a 2nd member can be suppressed. Thereby, the detection accuracy of the force detection device can be improved.
[適用例12]
本発明に係わる力検出装置では、前記第2部材を構成する材料の線膨張係数は、前記第1部材を構成する材料の線膨張係数よりも小さいことが好ましい。
[Application Example 12]
In the force detection device according to the present invention, it is preferable that the linear expansion coefficient of the material forming the second member is smaller than the linear expansion coefficient of the material forming the first member.
これにより、力検出装置が加熱された場合、第2部材の熱膨張による変形量を小さくすることができ、圧電素子に不要な力が加わることを抑制することができる。これにより、力検出装置の検出精度を向上させることができる。 Thereby, when a force detection apparatus is heated, the deformation amount by the thermal expansion of a 2nd member can be made small, and it can suppress that unnecessary force is added to a piezoelectric element. Thereby, the detection accuracy of the force detection device can be improved.
[適用例13]
本発明に係わるロボットは、アームと、
前記アームに設けられたエンドエフェクターと、
前記アームと前記エンドエフェクターの間に設けられ、前記エンドエフェクターに加えられる外力を検出する力検出装置と、を備え、
前記力検出装置は、第1部材と、
前記第1部材に結合する第2部材と、
前記第2部材に結合する圧電素子と、を有し、
前記第1部材を構成する材料は、前記第2部材を構成する材料とは異なることを特徴とする。
[Application Example 13]
A robot according to the present invention includes an arm,
An end effector provided on the arm;
A force detection device that is provided between the arm and the end effector and detects an external force applied to the end effector;
The force detection device includes a first member,
A second member coupled to the first member;
A piezoelectric element coupled to the second member,
The material constituting the first member is different from the material constituting the second member.
これにより、第1部材を構成する材料として、第2部材を構成する材料と異なる材料を自在に選択することができ、同様に、第2部材を構成する材料として、第1部材を構成する材料と異なる材料を自在に選択することができる。 As a result, a material different from the material constituting the second member can be freely selected as the material constituting the first member, and similarly, the material constituting the first member as the material constituting the second member. Different materials can be selected freely.
そして、例えば、第1部材を構成する材料を第2部材を構成する材料よりも密度が小さい材料とすることにより、力検出装置の軽量化を図ることができる。 For example, when the material constituting the first member is a material having a lower density than the material constituting the second member, the weight of the force detection device can be reduced.
また、第2部材の熱膨張は、第1部材の熱膨張よりも力検出装置の検出精度の悪化への影響が大きいので、第2部材を構成する材料を第1部材を構成する材料よりも線膨張係数が小さいものとすることにより、力検出装置が加熱された場合、第2部材の熱膨張による変形量を小さくすることができ、圧電素子に不要な力が加わることを抑制することができる。これにより、力検出装置の検出精度を向上させることができる。 Further, since the thermal expansion of the second member has a greater influence on the deterioration of the detection accuracy of the force detection device than the thermal expansion of the first member, the material constituting the second member is made more than the material constituting the first member. By making the coefficient of linear expansion small, when the force detection device is heated, the amount of deformation due to thermal expansion of the second member can be reduced, and it is possible to suppress unnecessary force from being applied to the piezoelectric element. it can. Thereby, the detection accuracy of the force detection device can be improved.
また、第2部材を構成する材料を第1部材を構成する材料よりも耐力が大きいものとすることにより、第2部材の強度を高くすることができ、与圧ボルトにより第2部材を介して圧電素子に与圧を与える場合、第2部材の変形を抑制することができる。これにより、力検出装置の検出精度を向上させることができる。 Moreover, the strength of the second member can be increased by making the material constituting the second member stronger than the material constituting the first member. When applying pressure to the piezoelectric element, the deformation of the second member can be suppressed. Thereby, the detection accuracy of the force detection device can be improved.
以下、本発明の力検出装置およびロボットを添付図面に示す好適な実施形態に基づいて詳細に説明する。 Hereinafter, a force detection device and a robot of the present invention will be described in detail based on preferred embodiments shown in the accompanying drawings.
<力検出装置の実施形態>
図1は、本発明の力検出装置の実施形態を示す断面図である。図2は、図1に示す力検出装置の断面図である。図3は、図1に示す力検出装置の電荷出力素子を概略的に示す断面図である。図4は、図1に示す力検出装置が加熱された状態を模式的に示す図である。図5は、図1に示す力検出装置において、第1基部の第1部材および第2基部の第3部材に貫通孔が形成されてないものが加熱された状態を模式的に示す図である。
<Embodiment of Force Detection Device>
FIG. 1 is a cross-sectional view showing an embodiment of the force detection device of the present invention. FIG. 2 is a cross-sectional view of the force detection device shown in FIG. FIG. 3 is a cross-sectional view schematically showing the charge output element of the force detection device shown in FIG. FIG. 4 is a diagram schematically showing a state in which the force detection device shown in FIG. 1 is heated. FIG. 5 is a diagram schematically showing a state in which the first member of the first base and the third member of the second base in which no through hole is formed are heated in the force detection device shown in FIG. .
なお、以下では、図1中の上側を「上」または「上方」、下側を「下」または「下方」と言う。 In the following, the upper side in FIG. 1 is referred to as “upper” or “upper”, and the lower side is referred to as “lower” or “lower”.
また、図2には、互いに直交する3つの軸として、α軸、β軸およびγ軸が図示されている。また、図1、図3には、前記3つの軸のうち、γ軸のみを図示している。α(A)軸に平行な方向を「α(A)軸方向」または「α方向」、β(B)軸に平行な方向を「β(B)軸方向」または「β方向」、γ(C)軸に平行な方向を「γ(C)軸方向」または「γ方向」という。また、α軸とβ軸で規定される平面を「αβ平面」と言い、β軸とγ軸で規定される平面を「βγ平面」と言い、α軸とγ軸で規定される平面を「αγ平面」と言う。また、α方向、β方向およびγ方向において、矢印先端側を「+(正)側」、矢印基端側を「−(負)側」とする。 FIG. 2 shows an α axis, a β axis, and a γ axis as three axes orthogonal to each other. 1 and 3 show only the γ-axis among the three axes. The direction parallel to the α (A) axis is “α (A) axis direction” or “α direction”, and the direction parallel to the β (B) axis is “β (B) axis direction” or “β direction”, γ ( C) A direction parallel to the axis is referred to as “γ (C) axis direction” or “γ direction”. A plane defined by the α axis and the β axis is referred to as an “αβ plane”, a plane defined by the β axis and the γ axis is referred to as a “βγ plane”, and a plane defined by the α axis and the γ axis is referred to as “ It is called “αγ plane”. In the α direction, β direction, and γ direction, the arrow tip side is defined as “+ (positive) side” and the arrow base end side is defined as “− (negative) side”.
図1に示す力検出装置1は、力検出装置1に加えられた外力、すなわち、6軸力(α、β、γ軸方向の並進力成分およびα、β、γ軸周りの回転力成分)を検出する機能を有する。 The force detection device 1 shown in FIG. 1 has an external force applied to the force detection device 1, that is, a six-axis force (a translational force component in the α, β, and γ axis directions and a rotational force component around the α, β, and γ axes). It has a function to detect.
この力検出装置1は、第1基部2と、第1基部2から所定の間隔を隔てて配置され、第1基部2に対向する第2基部3と、第1基部2および第2基部3の外周部に設けられた側壁部16と、第1基部2と第2基部3との間に収納された(設けられた)4つのアナログ回路基板4と、第1基部2と第2基部3との間に収納され(設けられ)、各アナログ回路基板4と電気的に接続されたデジタル回路基板5と、各アナログ回路基板4に1つずつ搭載され、受けた外力に応じて信号(電荷)を出力する素子である電荷出力素子(圧電素子)10および電荷出力素子10を収納するパッケージ(収容部)60を有する4つのセンサーデバイス(圧力検出部)6と、8つの与圧ボルト(固定部材)71と、を備えている。
The force detection device 1 includes a
以下に、力検出装置1の各部の構成について詳述する。
なお、以下の説明では、図2に示すように、4つのセンサーデバイス6のうち、図2中の右側に位置するセンサーデバイス6を「センサーデバイス6A」といい、以降反時計回りに順に「センサーデバイス6B」、「センサーデバイス6C」、「センサーデバイス6D」という。また、各センサーデバイス6A、6B、6C、6Dを区別しない場合は、それらを「センサーデバイス6」という。
Below, the structure of each part of the force detection apparatus 1 is explained in full detail.
In the following description, as shown in FIG. 2, among the four
図1に示すように、第1基部(ベースプレート)2は、板状をなす第1部材(底板)22と、第1部材22の端部の上面に設けられ、その上面から上方に向かって突出する4つの第2部材(壁部)24とを有している。第1部材22(第1基部2)の平面形状(厚さ方向から見た形状)は、円形をなしている。なお、第1部材22の平面形状は、図示のものに限定されず、例えば、正方形、長方形等の四角形、五角形および六角形等の多角形、楕円形等が挙げられる。
As shown in FIG. 1, the first base (base plate) 2 is provided on the upper surface of the plate-shaped first member (bottom plate) 22 and the end of the
力検出装置1を、ロボットのアームとエンドエフェクターの間に設け、エンドエフェクターに加えられる外力を検出する力覚センサーとして用いる場合を例に挙げると、第1基部2の下面221は、当該ロボットのアーム(対象物)に対する取付面(第1取付面)として機能する。
For example, when the force detection device 1 is provided between a robot arm and an end effector and is used as a force sensor for detecting an external force applied to the end effector, the
また、各第2部材24は、それぞれ、第1部材22に固定(結合)されている。この固定方法は、特に限定されないが、図示の構成では、各第2部材24は、それぞれ、複数のネジ172で第1部材22に固定されている。
Each
また、各第2部材24の外方に臨む面には、それぞれ、凸部23が突出形成されている。各凸部23の頂面(第1面)231は、それぞれ、第1部材22に対して垂直な平面である。また、各第2部材24には、それぞれ、後述する与圧ボルト71と螺合する2つの雌ネジ241が設けられている(図2参照)。
In addition,
図1に示すように、第1基部2に対し所定の間隔を隔てて対向するように、第2基部(カバープレート)3が配置されている。
As shown in FIG. 1, a second base (cover plate) 3 is arranged so as to face the
第2基部3は、板状をなす第3部材(天板)32と、第3部材32の端部の下面に設けられ、その下面から下方に向かって突出する4つの第4部材(壁部)33とを有している。第3部材32(第2基部3)の平面形状は、特に限定されないが、第1部材22(第1基部2)の平面形状に対応した形状であることが好ましく、本実施形態では、第3部材32の平面形状は、第1部材22の平面形状と同様に、円形をなしている。また、第3部材32は、第1部材22と同じ大きさ、または、第1部材22を包含する程度の大きさであることが好ましい。
The
力検出装置1を前記ロボットの力覚センサーとして用いる場合を例に挙げると、第2基部3の上面(第2面)321は、当該ロボットのアームに装着されるエンドエフェクター(対象物)に対する取付面(第2取付面)として機能する。また、第2基部3の上面321と、前述した第1基部2の下面221とは、外力が付与していない自然状態では平行となっている。
Taking the case where the force detection device 1 is used as a force sensor for the robot as an example, the upper surface (second surface) 321 of the
また、各第4部材33は、それぞれ、第3部材32に固定(結合)されている。この固定方法は、特に限定されないが、図示の構成では、各第4部材33は、それぞれ、複数のネジ173で第3部材32に固定されている。
Each
各第4部材33の内壁面(第2面)331は、それぞれ、第3部材32に対して垂直な平面である。そして、各第2部材24の頂面231と各第4部材33の内壁面331との間には、それぞれ、センサーデバイス6が設けられている。
The inner wall surface (second surface) 331 of each
また、第1基部2と第2基部3とは、8つの与圧ボルト71により、接続、固定されている。すなわち、各第2部材24と各第4部材33とは、それぞれ、2つの与圧ボルト71により、接続、固定されている。この与圧ボルト71は、図2に示すように、8本(複数)あり、そのうちの2本ずつが各センサーデバイス6の両側に配置されている。なお、1つのセンサーデバイス6に対する与圧ボルト71の数は、2つに限定されず、例えば、3つ以上であってもよい。
The
また、与圧ボルト71の構成材料としては、特に限定されず、例えば、各種樹脂材料、各種金属材料等を用いることができる。
Moreover, it does not specifically limit as a constituent material of the pressurization volt |
このように与圧ボルト71によって接続された第1基部2と第2基部3とで、センサーデバイス6A〜6D、アナログ回路基板4、およびデジタル回路基板5を収納する収納空間を形成している。この収納空間は、例えば、円形または角丸正方形の断面形状を有する。
Thus, the
また、図1および図2に示すように、第1基部2および第2基部3の外周部には、側壁部16が設けられている。これにより、第1基部2および第2基部3の外周部において、第1基部2と第2基部3との間の空間を封止することができ、その第1基部2と第2基部3との間の空間に、塵や埃等が侵入することを抑制することができる。
Further, as shown in FIGS. 1 and 2,
側壁部16は、筒状をなす筒状部161と、筒状部161の基端部(下端部)の内周側の側面に形成されたフランジ162とを有している。筒状部161の第1基部2および第2基部3の厚さ方向から見た場合の内形形状および外形形状は、それぞれ、第1基部2および第2基部3の平面形状に対応した形状であり、図示の構成では、円形をなしている。
The
側壁部16は、その基端部、すなわちフランジ162が、第1基部2に固定されている。この固定方法は、特に限定されないが、図示の構成では、フランジ162は、複数のネジ171で第1基部2の第1部材22に固定されている。
The
また、図1に示すように、第1基部2と第2基部3との間には、センサーデバイス6に電気的に接続されたアナログ回路基板4が設けられている。
As shown in FIG. 1, an analog circuit board 4 that is electrically connected to the
アナログ回路基板4のセンサーデバイス6(具体的には、電荷出力素子10)が配置されている部位には、第1基部2の各凸部23が挿入される孔41が形成されている。この孔41は、アナログ回路基板4を貫通する貫通孔である。
In the portion of the analog circuit board 4 where the sensor device 6 (specifically, the charge output element 10) is disposed, a
また、図2に示すように、アナログ回路基板4には各与圧ボルト71が貫通する貫通孔が設けられており、アナログ回路基板4の与圧ボルト71が貫通する部分(貫通孔)には、樹脂材料等の絶縁材料で構成されたパイプ43が例えば嵌合により固定されている。
Further, as shown in FIG. 2, the analog circuit board 4 is provided with a through hole through which each pressurizing
また、図1に示すように、第1基部2と第2基部3との間には、第1基部2上の各アナログ回路基板4が設けられている位置とは異なる位置に、各アナログ回路基板4に電気的に接続されたデジタル回路基板5が設けられている。デジタル回路基板5は、第1基部2の第1部材22および第2基部3の第3部材32と平行になるように配置されている。なお、デジタル回路基板5の第1基部2および第2基部3の厚さ方向の位置は、第1基部2と第2基部3との間であれば特に限定されず、例えば、図1に示すように第1基部2の近傍でもよく、また、第2基部3の近傍でもよく、また、第1基部2と第2基部3との中間の位置(中央部)でもよい。また、デジタル回路基板5は、第1部材22に固定されている。この固定方法は、特に限定されないが、図示の構成では、デジタル回路基板5は、複数のネジ174で第1部材22に固定されている。
Further, as shown in FIG. 1, each analog circuit is located between the
なお、上述した第1基部2、第2基部3、アナログ回路基板4の各素子および各配線以外の部位、デジタル回路基板5の各素子および各配線以外の部位の構成材料としては、それぞれ、特に限定されず、例えば、各種樹脂材料、各種金属材料等を用いることができる。
The components of the
ここで、前述したように、第1基部2において、第1部材22と第2部材24とは、別部材で構成され、同様に、第2基部3において、第3部材32と第4部材33とは、別部材で構成されている。また、第1部材22を構成する材料と、第2部材24を構成する材料とは、異なっており、同様に、第3部材32を構成する材料と、第4部材33を構成する材料とは、異なっている。
Here, as described above, in the
以下、第1部材22、第3部材32、第2部材24および第4部材33の密度、耐力および線膨張係数について説明する。
Hereinafter, the density, yield strength, and linear expansion coefficient of the
第2部材24および第4部材33を構成する材料の耐力は、それぞれ、大きいほど好ましく、具体的には、800Mpa以上であることが好ましく、900Mpa以上であることがより好ましく、900Mpa以上、2000Mpa以下であることがさらに好ましい。この耐力は、「JISZ2241(金属材料引張試験方法)」に準拠して測定されるものである。
The proof stress of the material which comprises the
前記耐力を大きく設定することにより、第2部材24および第4部材33の強度を高くすることができ、与圧ボルト71により第2部材24と第4部材33とを接続、固定して電荷出力素子10に与圧を与えた場合、第2部材24および第4部材33の変形を抑制することができる。これにより、力検出装置1の検出精度を向上させることができる。
By setting the proof stress large, the strength of the
しかし、前記耐力が前記下限値よりも小さいと、他の条件によっては、第2部材24および第4部材33の強度が不十分になる虞がある。
However, if the yield strength is smaller than the lower limit value, the strength of the
また、第2部材24および第4部材33を構成する材料の密度は、それぞれ、小さいほど好ましいが、耐力を前記好適な範囲内の値に設定することを考慮すると、10g/cm3以下であることが好ましく、8g/cm3以下であることがより好ましく、5g/cm3以上、8g/cm3以下であることがさらに好ましい。
Further, the density of the material constituting the
第2部材24および第4部材33の体積は、第1部材22および第3部材32よりも小さいので、その材料の密度が比較的大きくても軽量化を図るうえでほとんど影響がないが、前記密度が前記上限値よりも大きいと、他の条件によっては、軽量化が図れない虞がある。
Since the volume of the
また、第2部材24および第4部材33を構成する材料の線膨張係数は、それぞれ、小さいほど好ましいが、耐力を前記好適な範囲内の値に設定することを考慮すると、20×10−6/K以下であることが好ましく、15×10−6/K以下であることがより好ましく、5×10−6/K以上、15×10−6/K以下であることがさらに好ましい。
Further, the linear expansion coefficients of the materials constituting the
前記線膨張係数を小さく設定することにより、力検出装置1が加熱された場合、第2部材24および第4部材33の熱膨張による変形量を小さくすることができ、電荷出力素子10に不要な力が加わることを抑制することができる。これにより、力検出装置1の検出精度を向上させることができる。
By setting the linear expansion coefficient to be small, when the force detection device 1 is heated, the deformation amount due to the thermal expansion of the
しかし、前記線膨張係数が前記上限値よりも大きいと、他の条件によっては、力検出装置1の検出精度が低下する虞がある。 However, if the linear expansion coefficient is larger than the upper limit value, the detection accuracy of the force detection device 1 may be lowered depending on other conditions.
また、第1部材22および第3部材32を構成する材料の密度は、それぞれ、小さいほど好ましく、具体的には、6g/cm3以下であることが好ましく、4g/cm3以下であることがより好ましく、0.5g/cm3以上、4g/cm3以下であることがさらに好ましい。
In addition, the density of the material constituting the
前記密度を小さく設定することにより、軽量化を図ることができる。また、第1部材22および第3部材32の体積は、第2部材24および第4部材33よりも大きいので、大幅に軽量化を図ることができる。
By setting the density small, the weight can be reduced. Moreover, since the volume of the
しかし、前記密度が前記上限値よりも大きいと、他の条件によっては、軽量化が図れない虞がある。 However, if the density is larger than the upper limit value, there is a possibility that the weight cannot be reduced depending on other conditions.
また、第1部材22および第3部材32を構成する材料の耐力は、それぞれ、大きいほど好ましいが、密度を前記好適な範囲内の値に設定することを考慮すると、200Mpa以上であることが好ましく、400Mpa以上であることがより好ましく、400Mpa以上、900Mpa以下であることがさらに好ましい。
Moreover, the proof stress of the material which comprises the
第1部材22および第3部材32は、与圧ボルト71により固定される部位ではないので、その材料の耐力が比較的小さくてもほとんど問題がないが、前記耐力が前記下限値よりも小さいと、他の条件によっては、強度が不十分になる虞がある。
Since the
また、第1部材22および第3部材32を構成する材料の線膨張係数は、それぞれ、小さいほど好ましいが、密度を前記好適な範囲内の値に設定することを考慮すると、30×10−6/K以下であることが好ましく、26×10−6/K以下であることがより好ましく、15×10−6/K以上、26×10−6/K以下であることがさらに好ましい。
Further, the linear expansion coefficients of the materials constituting the
第1部材22および第3部材32は、センサーデバイス6に接触していないので、熱膨張による影響は第2部材24および第4部材33に比べて少ないものの、前記線膨張係数が前記上限値よりも大きいと、他の条件によっては、力検出装置1の検出精度が低下する虞がある。
Since the
また、第2部材24および第4部材33を構成する材料の耐力は、それぞれ、第1部材22および第3部材32を構成する材料の耐力よりも大きいことが好ましい。
Moreover, it is preferable that the proof stress of the material which comprises the
また、第1部材22および第3部材32を構成する材料の耐力をA1、第2部材24および第4部材33を構成する材料の耐力をA2としたとき、A2とA1との比A2/A1は、1.2以上であることが好ましく、1.2以上、10以下であることがより好ましく、1.8以上、5以下であることがさらに好ましい。
Further, when the proof stress of the material constituting the
これにより、第2部材24および第4部材33の強度を第1部材22および第3部材32よりも高くすることができ、与圧ボルト71により第2部材24と第4部材33とを接続、固定して電荷出力素子10に与圧を与えた場合、第2部材24および第4部材33の変形を抑制することができる。これにより、力検出装置1の検出精度を向上させることができる。
Thereby, the strength of the
しかし、A2/A1が前記下限値よりも小さいと、他の条件によっては、第2部材24および第4部材33の強度が不十分となる虞がある。
However, if A2 / A1 is smaller than the lower limit, the strength of the
また、第1部材22および第3部材32を構成する材料の密度は、それぞれ、第2部材24および第4部材33を構成する材料の密度よりも小さいことが好ましい。
Moreover, it is preferable that the density of the material which comprises the
また、第1部材22および第3部材32を構成する材料の密度をB1、第2部材24および第4部材33を構成する材料の密度をB2としたとき、B1とB2との比B1/B2は、0.7以下であることが好ましく、0.1以上、0.7以下であることがより好ましく、0.1以上、0.4以下であることがさらに好ましい。
Further, when the density of the material constituting the
第1部材22および第3部材32の体積は、第2部材24および第4部材33よりも大きいので、これにより、軽量化を図ることができる。
Since the volume of the
しかし、B1/B2が前記上限値よりも大きいと、他の条件によっては、軽量化が図れない虞がある。 However, if B1 / B2 is larger than the upper limit value, the weight may not be reduced depending on other conditions.
また、第2部材24および第4部材33を構成する材料の線膨張係数は、それぞれ、第1部材22および第3部材32を構成する材料の線膨張係数よりも小さいことが好ましい。
Moreover, it is preferable that the linear expansion coefficient of the material which comprises the
具体的には、第1部材22および第3部材32を構成する材料の線膨張係数をC1、第2部材24および第4部材33を構成する材料の線膨張係数をC2としたとき、C2とC1との比C2/C1は、0.6以下であることが好ましく、0.1以上、0.6以下であることがより好ましく、0.1以上、0.5以下であることがさらに好ましい。
Specifically, when the linear expansion coefficient of the material constituting the
これにより、力検出装置1が加熱された場合、センサーデバイス6に接触している部材である第2部材24および第4部材33の熱膨張による変形量を小さくすることができ、電荷出力素子10に不要な力が加わることを抑制することができる。これにより、力検出装置1の検出精度を向上させることができる。
Thereby, when the force detection apparatus 1 is heated, the deformation amount due to thermal expansion of the
しかし、C2/C1が前記上限値よりも大きいと、他の条件によっては、力検出装置1の検出精度が低下する虞がある。 However, if C2 / C1 is larger than the upper limit value, the detection accuracy of the force detection device 1 may be lowered depending on other conditions.
また、第1部材22および第3部材32を構成する材料としては、それぞれ、前記のような特性を有するものが好ましく、例えば、A7075−T6(東邦非鉄金属株式会社製)、A7075−T651(東邦非鉄金属株式会社製)等のアルミニウム合金、DAT51(大同特殊鋼株式会社製)等のチタン合金、AZ91(住友電気工業株式会社製)等のマグネシウム合金等が挙げられる。また、これらのうちでは、例えば、A7075−T6、A7075−T651等のアルミニウム合金が好ましい。
Moreover, as a material which comprises the
なお、A7075−T6、A7075−T651の密度は、2.7g/cm3、耐力は、505Mpa、線膨張係数は、24×10−6/Kである。また、DAT51の密度は、4.69g/cm3、耐力は、825Mpa、線膨張係数は、8×10−6/Kである。また、AZ91の密度は、1.8g/cm3、耐力は、280Mpa、線膨張係数は、27.2×10−6/Kである。 The densities of A7075-T6 and A7075-T651 are 2.7 g / cm 3 , the yield strength is 505 Mpa, and the linear expansion coefficient is 24 × 10 −6 / K. The density of DAT51 is 4.69 g / cm 3 , the proof stress is 825 Mpa, and the linear expansion coefficient is 8 × 10 −6 / K. The density of AZ91 is 1.8 g / cm 3 , the yield strength is 280 Mpa, and the linear expansion coefficient is 27.2 × 10 −6 / K.
また、第2部材24および第4部材33を構成する材料としては、それぞれ、前記のような特性を有するものが好ましく、例えば、NAK55(大同特殊鋼株式会社製)等の合金鋼等が挙げられる。
Moreover, as a material which comprises the
なお、NAK55の密度は、7.8g/cm3、耐力は、1000Mpa、線膨張係数は、11.3×10−6/Kである。 The density of NAK55 is 7.8 g / cm 3 , the proof stress is 1000 Mpa, and the linear expansion coefficient is 11.3 × 10 −6 / K.
また、第1部材22を構成する材料と、第3部材32を構成する材料とは、同一でもよく、また、異なっていてもよいが、同一であることが好ましい。材料を同一にすることで、第1部材22と第3部材32との熱膨張の差を小さくすることができ、電荷出力素子10に不要な力が加わることを抑制することができる。
Further, the material constituting the
同様に、第2部材24を構成する材料と、第4部材33を構成する材料とは、同一でもよく、また、異なっていてもよいが、同一であることが好ましい。材料を同一にすることで、第2部材24と第4部材33との熱膨張の差を小さくすることができ、電荷出力素子10に不要な力が加わることを抑制することができる。
Similarly, the material constituting the
また、第1基部2の第1部材22の中央部には、貫通孔20が形成されており、同様に、第2基部3の第3部材32の中央部には、貫通孔30が形成されており、同様に、デジタル回路基板5の中央部には、貫通孔50が形成されている。
Further, a through
図5に示すように、第1基部2の第1部材22および第2基部3の第3部材32に貫通孔20および30が形成されていない場合、力検出装置1が加熱されると、第1部材22および第3部材32が熱膨張し、互いの中央部が離間するように反ってしまう。これは、第1部材22および第3部材32の端部には、第2部材24および第4部材33が設けられているので、強度は、端部よりも中央部の方が低くなっているためである。
As shown in FIG. 5, when the through
これに対し、図4に示すように、第1基部2の第1部材22および第2基部3の第3部材32に貫通孔20および30が形成されていると、第1部材22および第3部材32が熱膨張して反った場合、貫通孔20の部分において第1部材22の変形量を小さくすることができ、同様に、貫通孔30の部分において第3部材32の変形量を小さくすることができる。また、貫通孔20により第1部材22の反りが小さくなり、同様に、貫通孔30により第3部材32の反りが小さくなる。これにより、電荷出力素子10に不要な力が加わることを抑制することができ、力検出装置1の検出精度を向上させることができる。
On the other hand, as shown in FIG. 4, if the through
また、各貫通孔20、30および50は、第1部材22、第3部材32およびデジタル回路基板5の厚さ方向から見て、互いに同じ位置に配置されている。なお、各貫通孔20、30および50の位置は、これに限らず、異なる位置に配置されていてもよい。
The through holes 20, 30, and 50 are arranged at the same position as seen from the thickness direction of the
また、各貫通孔20、30および50の平面形状(厚さ方向から見た形状)は、それぞれ、四角形をなしている。なお、各貫通孔20、30および50の平面形状は、図示のものに限定されず、例えば、五角形および六角形等の他の多角形、円形、楕円形等が挙げられる。
Moreover, the planar shape (shape seen from the thickness direction) of each through-
また、各貫通孔20、30および50の平面形状は、同一であってもよく、また、異なっていてもよい。
Moreover, the planar shape of each through-
なお、第1基部2、第2基部3は、それぞれ、板状をなす部材で構成されているが、これに限定されず、例えば、一方の基部が板状をなす部材で構成され、他方の基部がブロック状をなす部材で構成されていてもよい。
In addition, although the
次に、センサーデバイス6について、説明する。
[センサーデバイス]
図1、図2に示すように、センサーデバイス6Aは、第1基部2の4つの凸部23のうちの1つの凸部23の頂面231と、この頂面231に対向する内壁面331とによって挟持されている。このセンサーデバイス6Aと同様に、前記と異なる1つの凸部23の頂面231と、この頂面231に対向する内壁面331とによって、センサーデバイス6Bが挟持されている。また、前記と異なる1つの凸部23の頂面231と、この頂面231に対向する内壁面331とによって、センサーデバイス6Cが挟持されている。さらに、前記と異なる1つの凸部23の頂面231と、この頂面231に対向する内壁面331によって、センサーデバイス6Dが挟持されている。なお、センサーデバイス6A、6B、6Cおよび6Dの各電荷出力素子10は、それぞれ、第2部材24と第4部材33とに結合されているともいうことができる。
Next, the
[Sensor device]
As shown in FIGS. 1 and 2, the
以下では、各センサーデバイス6A〜6Dが第1基部2および第2基部3によって挟持されている方向を「挟持方向SD」という。また、各センサーデバイス6A〜6Dのうちセンサーデバイス6Aが挟持されている方向を第1挟持方向、センサーデバイス6Bが挟持されている方向を第2挟持方向、センサーデバイス6Cが挟持されている方向を第3挟持方向、センサーデバイス6Dが挟持されている方向を第4挟持方向ということもある。
Hereinafter, the direction in which the
なお、本実施形態では、図1に示すように、センサーデバイス6は、アナログ回路基板4の第2基部3(第4部材33)側に設けられているが、センサーデバイス6は、アナログ回路基板4の第1基部2側に設けられていてもよい。
In this embodiment, as shown in FIG. 1, the
また、図2に示すように、センサーデバイス6Aおよびセンサーデバイス6Bと、センサーデバイス6Cおよびセンサーデバイス6Dとは、第1基部2のβ軸に沿った中心軸271に関して対称的に配置されている。すなわち、センサーデバイス6A〜6Dは、第1基部2の中心272回りに等角度間隔に配置されている。このようにセンサーデバイス6A〜6Dを配置することより、外力を偏りなく検出することができる。
As shown in FIG. 2, the
なお、センサーデバイス6A〜6Dの配置は図示のものに限定されないが、センサーデバイス6A〜6Dは、第2基部3の上面321から見て、第2基部3の中心部(中心272)からできる限り離間した位置に配置されているのが好ましい。これにより、力検出装置1に加わる外力を安定して検出することができる。
The arrangement of the
このように配置されたセンサーデバイス6は、図1に示すように、電荷出力素子10と、電荷出力素子10を収納するパッケージ60とを有している。また、本実施形態では、センサーデバイス6A〜6Dは、同様の構成である。なお、パッケージは、省略されていてもよい。
As shown in FIG. 1, the
以下に、このセンサーデバイス6が備える電荷出力素子10について、説明する。
[電荷出力素子]
電荷出力素子10は、力検出装置1に加わった外力、すなわち第1基部2または第2基部3の少なくとも一方の基部に加えられた外力に応じて電荷を出力する機能を有する。
Hereinafter, the
[Charge output element]
The
なお、センサーデバイス6A〜6Dが備える各電荷出力素子10は、同じ構成であるため、1つの電荷出力素子10について中心的に説明する。
In addition, since each
図3に示すように、センサーデバイス6が備える電荷出力素子10は、グランド電極層11と、第1のセンサー12と、第2のセンサー13と、第3のセンサー14とを有している。
As shown in FIG. 3, the
第1のセンサー12は、外力(せん断力)に応じて電荷Qxを出力する機能を有する。第2のセンサー13は、外力(圧縮/引張力)に応じて電荷Qzを出力する機能を有する。第3のセンサー14は、外力(せん断力)に応じて電荷Qyを出力する。
The
また、センサーデバイス6が備える電荷出力素子10は、グランド電極層11と各センサー12、13、14は交互に平行に積層されている。以下、この積層された方向を「積層方向LD」という。この積層方向LDは、上面321の法線NL2(または下面221の法線NL1)と直交する方向となっている。また、積層方向LDは、挟持方向SDと平行となっている。
In the
また、電荷出力素子10の形状は、特に限定されないが、本実施形態では、各第4部材33の内壁面331に対して垂直な方向から見て、四角形をなしている。なお、各電荷出力素子10の他の外形形状としては、例えば、五角形等の他の多角形、円形、楕円形等が挙げられる。
In addition, the shape of the
以下、グランド電極層11、第1のセンサー12、第2のセンサー13、および第3のセンサー14について、説明する。
Hereinafter, the
グランド電極層11は、グランド(基準電位点)に接地された電極である。グランド電極層11を構成する材料は、特に限定されないが、例えば、金、チタニウム、アルミニウム、銅、鉄またはこれらを含む合金が好ましい。これらの中でも特に、鉄合金であるステンレスを用いるのが好ましい。ステンレスにより構成されたグランド電極層11は、優れた耐久性および耐食性を有する。
The
第1のセンサー12は、積層方向LD(第1の挟持方向)と直交する、すなわち、法線NL2(法線NL1)の方向と同じ方向の第1検出方向の外力(せん断力)に応じて電荷Qxを出力する機能を有する。すなわち、第1のセンサー12は、外力に応じて正電荷または負電荷を出力するよう構成されている。なお、後述する第1の圧電体層121および第2の圧電体層123におけるx軸方向が、前記第1検出方向である。
The
第1のセンサー12は、第1の圧電体層(第1検出板(第1基板))121と、第1の圧電体層121と対向して設けられた第2の圧電体層(第1検出板(第1基板))123と、第1の圧電体層121と第2の圧電体層123との間に設けられた出力電極層122を有する。
The
第1の圧電体層121は、Yカット水晶板で構成され、互いに直交する結晶軸であるx軸、y軸、z軸を有する。y軸は、第1の圧電体層121の厚さ方向に沿った軸であり、x軸は、図3中の紙面奥行き方向に沿った軸であり、z軸は、図3中の上下方向に沿った軸である。
The first
以下では、これら図示した各矢印の先端側を「+(正)」、基端側を「−(負)」として説明する。また、x軸に平行な方向を「x軸方向」、y軸に平行な方向を「y軸方向」、z軸に平行な方向を「z軸方向」という。なお、後述する第2の圧電体層123、第3の圧電体層131、第4の圧電体層133、第5の圧電体層141、および第6の圧電体層143についても同様である。
In the following description, it is assumed that the tip side of each of the illustrated arrows is “+ (positive)” and the base end side is “− (negative)”. A direction parallel to the x axis is referred to as an “x axis direction”, a direction parallel to the y axis is referred to as a “y axis direction”, and a direction parallel to the z axis is referred to as a “z axis direction”. The same applies to a second
第2の圧電体層123も、Yカット水晶板で構成され、互いに直交する結晶軸であるx軸、y軸、z軸を有する。y軸は、第2の圧電体層123の厚さ方向に沿った軸であり、x軸は、図3中の紙面奥行き方向に沿った軸であり、z軸は、図3中の上下方向に沿った軸である。
The second
出力電極層122は、第1の圧電体層121内および第2の圧電体層123内に生じた正電荷または負電荷を電荷Qxとして出力する機能を有する。
The
第2のセンサー13は、外力(圧縮/引張力)に応じて電荷Qzを出力する機能を有する。すなわち、第2のセンサー13は、圧縮力に応じて正電荷を出力し、引張力に応じて負電荷を出力するよう構成されている。なお、後述する第3の圧電体層131および第4の圧電体層133におけるx軸方向が、前記検出する圧縮および引張力の方向である。
The
第2のセンサー13は、第3の圧電体層(第3基板)131と、第3の圧電体層131と対向して設けられた第4の圧電体層(第3基板)133と、第3の圧電体層131と第4の圧電体層133との間に設けられた出力電極層132を有する。
The
第3の圧電体層131は、Xカット水晶板で構成され、互いに直交するx軸、y軸、z軸を有する。x軸は、第3の圧電体層131の厚さ方向に沿った軸であり、y軸は、図3中の上下方向に沿った軸であり、z軸は、図3中の紙面奥行き方向に沿った軸である。 The third piezoelectric layer 131 is composed of an X-cut quartz plate and has an x axis, a y axis, and a z axis that are orthogonal to each other. The x-axis is an axis along the thickness direction of the third piezoelectric layer 131, the y-axis is an axis along the vertical direction in FIG. 3, and the z-axis is the depth direction in the drawing of FIG. Axis along.
第4の圧電体層133も、Xカット水晶板で構成され、互いに直交するx軸、y軸、z軸を有する。x軸は、第4の圧電体層133の厚さ方向に沿った軸であり、y軸は、図3中の上下方向に沿った軸であり、z軸は、図3中の紙面奥行き方向に沿った軸である。
The fourth
出力電極層132は、第3の圧電体層131内および第4の圧電体層133内に生じた正電荷または負電荷を電荷Qzとして出力する機能を有する。
The output electrode layer 132 has a function of outputting positive charges or negative charges generated in the third piezoelectric layer 131 and the fourth
第3のセンサー14は、積層方向LD(第2の挟持方向)と直交し、第1のセンサー12が電荷Qxを出力する際に作用する外力の第1検出方向と交差する第2検出方向の外力(せん断力)に応じて電荷Qxを出力する機能を有する。すなわち、第3のセンサー14は、外力に応じて正電荷または負電荷を出力するよう構成されている。なお、後述する第5の圧電体層141および第6の圧電体層143におけるx軸方向が、前記第2検出方向である。
The
第3のセンサー14は、第5の圧電体層(第2検出板(第2基板))141と、第5の圧電体層141と対向して設けられた第6の圧電体層(第2検出板(第2基板))143と、第5の圧電体層141と第6の圧電体層143との間に設けられた出力電極層142を有する。
The
第5の圧電体層141は、Yカット水晶板で構成され、互いに直交する結晶軸であるx軸、y軸、z軸を有する。y軸は、第5の圧電体層141の厚さ方向に沿った軸であり、x軸は、図3中の上下方向に沿った軸であり、z軸は、図3中の紙面奥行き方向に沿った軸である。 The fifth piezoelectric layer 141 is composed of a Y-cut quartz plate and has an x-axis, a y-axis, and a z-axis that are crystal axes orthogonal to each other. The y-axis is an axis along the thickness direction of the fifth piezoelectric layer 141, the x-axis is an axis along the vertical direction in FIG. 3, and the z-axis is a depth direction in the drawing of FIG. Axis along.
第6の圧電体層143も、Yカット水晶板で構成され、互いに直交する結晶軸であるx軸、y軸、z軸を有する。y軸は、第6の圧電体層143の厚さ方向に沿った軸であり、x軸は、図3中の上下方向に沿った軸であり、z軸は、図3中の紙面奥行き方向に沿った軸である。
The sixth
電荷出力素子10では、積層方向LDから見たとき、第1の圧電体層121および第2の圧電体層123の各x軸と、第5の圧電体層141および第6の圧電体層143の各x軸とが交差している。また、積層方向LDから見たとき、第1の圧電体層121および第2の圧電体層123の各z軸と、第5の圧電体層141および第6の圧電体層143の各z軸とが交差している。
In the
出力電極層142は、第5の圧電体層141内および第6の圧電体層143内に生じた正電荷または負電荷を電荷Qyとして出力する機能を有する。
The output electrode layer 142 has a function of outputting positive charges or negative charges generated in the fifth piezoelectric layer 141 and the sixth
このように、電荷出力素子10では、第1のセンサー12、第2のセンサー13、および第3のセンサー14は、各センサーの力検出方向が互いに直交するように積層されている。これにより、各センサーは、それぞれ、互いに直交する力成分に応じて電荷を誘起することができる。そのため、電荷出力素子10は、x軸、y軸およびz軸に沿った各外力のそれぞれに応じて3つの電荷Qx、Qy、Qzを出力することができる。
As described above, in the
また、電荷出力素子10は、上述したように、電荷Qzを出力することができるが、力検出装置1では、各外力を求める際、電荷Qzを用いないことが好ましい。すなわち、力検出装置1は、圧縮や引張力を検出せずに、せん断力を検出する装置として用いることが好ましい。これにより、力検出装置1の温度変化に起因するノイズ成分を低減することができる。なお、電荷Qzは、各外力を求める際に用いない場合でも、例えば、与圧ボルト71による与圧の調整に用いられる。
Further, as described above, the
なお、本実施形態では、前述した各圧電体層(第1の圧電体層121、第2の圧電体層123、第3の圧電体層131、第4の圧電体層133、第5の圧電体層141、および第6の圧電体層143)は、全て水晶を用いた構成としているが、各圧電体層は、水晶以外の圧電材料を用いた構成であってもよい。水晶以外の圧電材料としては、例えば、トパーズ、チタン酸バリウム、チタン酸鉛、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT:Pb(Zr,Ti)O3)、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム等が挙げられる。しかしながら、各圧電体層は、水晶を用いた構成であることが好ましい。水晶により構成された圧電体層は、広いダイナミックレンジ、高い剛性、高い固有振動数、高い対荷重性等の優れた特性を有するためである。
In the present embodiment, the piezoelectric layers described above (the first
また、本実施形態では、第1のセンサー12、第2のセンサー13および第3のセンサー14の圧電体層の数は、2つであるが、これに限らず、例えば、1つであってもよい。
In the present embodiment, the number of piezoelectric layers of the
また、前述したように、第1基部2、および第2基部3とは、与圧ボルト71によって固定されている。
As described above, the
この与圧ボルト71による固定は、頂面231と内壁面331との間に各センサーデバイス6を配置した状態で、与圧ボルト71を第2基部3の第4部材33側から第1基部2の第2部材24に向かって差し込み、与圧ボルト71の雄ネジ(図示せず)を第2部材24に形成された雌ネジ241に螺合する。このようにして、電荷出力素子10は、当該電荷出力素子10を収納するパッケージ60ごと第1基部2と第2基部3、すなわち第2部材24と第4部材33とによって所定の大きさの圧力、すなわち、与圧が加えられる。
The fixing with the pressurizing
なお、各第2部材24と各第4部材33とは、それぞれ、2つの与圧ボルト71により、互いに所定量の変位(移動)が可能なように固定される。第2部材24と第4部材33とが互いに所定量の変位が可能なように固定されることで、力検出装置1に外力(せん断力)が加わることで電荷出力素子10にせん断力が作用したとき、電荷出力素子10を構成する層同士の間での摩擦力が確実に生じ、よって、電荷を確実に検出することができる。また、各与圧ボルト71による与圧方向は、積層方向LDに平行な方向となっている。
Each
なお、力検出装置1全体のα軸方向の力FA、β軸方向の力FB、γ軸方向の力FC、α軸周りの回転力MA、β軸周りの回転力MBおよびγ軸周りの回転力MCは、各電荷出力素子10からの電荷の蓄積量に比例する信号に基づいて算出される。また、本実施形態では、電荷出力素子10は4つ設けられているが、電荷出力素子10は少なくとも3つ設けられていれば、回転力MA、MBおよびMCを算出することが可能である。
In addition, the force FA of the whole force detection apparatus 1, the force FB in the β axis direction, the force FC in the γ axis direction, the force FC in the γ axis direction, the rotational force MA around the α axis, the rotational force MB around the β axis, and the rotation around the γ axis. The force MC is calculated based on a signal proportional to the amount of charge accumulated from each
以上説明したように、この力検出装置1によれば、第1部材22および第3部材32を前述した密度の小さい材料で構成することにより、力検出装置1の軽量化を図ることができる。
As described above, according to the force detection device 1, the force detection device 1 can be reduced in weight by configuring the
また、第2部材24および第4部材33を前述した耐力の大きい材料で構成することにより、第2部材24および第4部材33の強度を高くすることができ、与圧ボルト71により第2部材24と第4部材33とを接続、固定して電荷出力素子10に与圧を与えた場合、第2部材24および第4部材33の変形を抑制することができる。これにより、力検出装置1の検出精度を向上させることができる。
Further, the
また、第2部材24および第4部材33を前述した線膨張係数の小さい材料で構成することにより、力検出装置1が加熱された場合、第2部材24および第4部材33の熱膨張による変形量を小さくすることができ、電荷出力素子10に不要な力が加わることを抑制することができる。これにより、力検出装置1の検出精度を向上させることができる。
Further, when the force detection device 1 is heated by configuring the
また、第1部材22および第3部材32が熱膨張して反った場合、貫通孔20の部分において第1部材22の変形量を小さくすることができ、同様に、貫通孔30の部分において第3部材32の変形量を小さくすることができる。また、貫通孔20により第1部材22の反りが小さくなり、同様に、貫通孔30により第3部材32の反りが小さくなる。これにより、電荷出力素子10に不要な力が加わることを抑制することができ、力検出装置1の検出精度を向上させることができる。
Further, when the
<単腕ロボットの実施形態>
次に、図6に基づき、本発明のロボットの実施形態である単腕ロボットを説明する。以下、本実施形態について、前述した実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。
<Embodiment of single arm robot>
Next, based on FIG. 6, a single-arm robot which is an embodiment of the robot of the present invention will be described. Hereinafter, the present embodiment will be described with a focus on differences from the above-described embodiments, and description of similar matters will be omitted.
図6は、本発明の力検出装置を用いた単腕ロボットの1例を示す図である。図6の単腕ロボット500は、基台510と、アーム520と、アーム520の先端側に設けられたエンドエフェクター530と、アーム520とエンドエフェクター530との間に設けられた力検出装置1とを有する。なお、力検出装置1としては、前述した各実施形態と同様のものを用いる。
FIG. 6 is a diagram showing an example of a single arm robot using the force detection device of the present invention. The single-
基台510は、アーム520を回動させるための動力を発生させるアクチュエーター(図示せず)およびアクチュエーターを制御する制御部(図示せず)等を収納する機能を有する。また、基台510は、例えば、床、壁、天井、移動可能な台車上などに固定される。
The
アーム520は、第1のアーム要素521、第2のアーム要素522、第3のアーム要素523、第4のアーム要素524および第5のアーム要素525を有しており、隣り合うアーム同士を回動自在に連結することにより構成されている。アーム520は、制御部の制御によって、各アーム要素の連結部を中心に複合的に回転または屈曲することにより駆動する。
The
エンドエフェクター530は、対象物を把持する機能を有する。エンドエフェクター530は、第1の指531および第2の指532を有している。アーム520の駆動によりエンドエフェクター530が所定の動作位置まで到達した後、第1の指531および第2の指532の離間距離を調整することにより、対象物を把持することができる。
The
なお、エンドエフェクター530は、ここでは、ハンドであるが、本発明では、これに限定されるものではない。エンドエフェクターの他の例としては、例えば、部品検査用器具、部品搬送用器具、部品加工用器具、部品組立用器具、測定器等が挙げられる。これは、他の実施形態におけるエンドエフェクターについても同様である。
The
力検出装置1は、エンドエフェクター530に加えられる外力を検出する機能を有する。力検出装置1が検出する力を基台510の制御部にフィードバックすることにより、単腕ロボット500は、より精密な作業を実行することができる。また、力検出装置1が検出する力によって、単腕ロボット500は、エンドエフェクター530の障害物への接触等を検知することができる。そのため、従来の位置制御では困難だった障害物回避動作、対象物損傷回避動作等を容易に行うことができ、単腕ロボット500は、より安全に作業を実行することができる。
The force detection device 1 has a function of detecting an external force applied to the
なお、図示の構成では、アーム520は、合計5本のアーム要素によって構成されているが、本発明はこれに限られない。アーム520が、1本のアーム要素に構成されている場合、2〜4本のアーム要素によって構成されている場合、6本以上のアーム要素によって構成されている場合も本発明の範囲内である。
In the illustrated configuration, the
<複腕ロボットの実施形態>
次に、図7に基づき、本発明のロボットの実施形態である複腕ロボットを説明する。以下、本実施形態について、前述した実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。
<Embodiment of double-arm robot>
Next, a multi-arm robot which is an embodiment of the robot of the present invention will be described with reference to FIG. Hereinafter, the present embodiment will be described with a focus on differences from the above-described embodiments, and description of similar matters will be omitted.
図7は、本発明の力検出装置を用いた複腕ロボットの1例を示す図である。図7の複腕ロボット600は、基台610と、第1のアーム620と、第2のアーム630と、第1のアーム620の先端側に設けられた第1のエンドエフェクター640aと、第2のアーム630の先端側に設けられた第2のエンドエフェクター640bと、第1のアーム620と第1のエンドエフェクター640a間および第2のアーム630と第2のエンドエフェクター640bとの間に設けられた力検出装置1を有する。なお、力検出装置1としては、前述した各実施形態と同様のものを用いる。
FIG. 7 is a diagram showing an example of a multi-arm robot using the force detection device of the present invention. 7 includes a
基台610は、第1のアーム620および第2のアーム630を回動させるための動力を発生させるアクチュエーター(図示せず)およびアクチュエーターを制御する制御部(図示せず)等を収納する機能を有する。また、基台610は、例えば、床、壁、天井、移動可能な台車上などに固定される。
The
第1のアーム620は、第1のアーム要素621および第2のアーム要素622を回動自在に連結することにより構成されている。第2のアーム630は、第1のアーム要素631および第2のアーム要素632を回動自在に連結することにより構成されている。第1のアーム620および第2のアーム630は、制御部の制御によって、各アーム要素の連結部を中心に複合的に回転または屈曲することにより駆動する。
The
第1、第2のエンドエフェクター640a、640bは、対象物を把持する機能を有する。第1のエンドエフェクター640aは、第1の指641aおよび第2の指642aを有している。第2のエンドエフェクター640bは、第1の指641bおよび第2の指642bを有している。第1のアーム620の駆動により第1のエンドエフェクター640aが所定の動作位置まで到達した後、第1の指641aおよび第2の指642aの離間距離を調整することにより、対象物を把持することができる。同様に、第2のアーム630の駆動により第2のエンドエフェクター640bが所定の動作位置まで到達した後、第1の指641bおよび第2の指642bの離間距離を調整することにより、対象物を把持することができる。
The first and
力検出装置1は第1、第2のエンドエフェクター640a、640bに加えられる外力を検出する機能を有する。力検出装置1が検出する力を基台610の制御部にフィードバックすることにより、複腕ロボット600は、より精密に作業を実行することができる。また、力検出装置1が検出する力によって、複腕ロボット600は、第1、第2のエンドエフェクター640a、640bの障害物への接触等を検知することができる。そのため、従来の位置制御では困難だった障害物回避動作、対象物損傷回避動作等を容易に行うことができ、複腕ロボット600は、より安全に作業を実行することができる。
The force detection device 1 has a function of detecting an external force applied to the first and
なお、図示の構成では、アームは合計2本であるが、本発明はこれに限られない。複腕ロボット600が3本以上のアームを有している場合も、本発明の範囲内である。
In the illustrated configuration, there are a total of two arms, but the present invention is not limited to this. The case where the
以上、本発明の力検出装置およびロボットを、図示の実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、各部の構成は、同様の機能を有する任意の構成のものに置換することができる。また、本発明に、他の任意の構成物が付加されていてもよい。 As mentioned above, although the force detection apparatus and robot of this invention were demonstrated based on embodiment of illustration, this invention is not limited to this, The structure of each part is the thing of arbitrary structures which have the same function Can be substituted. In addition, any other component may be added to the present invention.
また、本発明では、与圧ボルトに替えて、例えば、電荷出力素子(圧電素子)に与圧を加える機能を有してないものを用いてもよく、また、ボルト以外の固定方法を採用してもよい。 In the present invention, instead of the pressurizing bolt, for example, a device that does not have a function of applying a pressurization to the charge output element (piezoelectric element) may be used, and a fixing method other than the bolt is adopted. May be.
また、本実施形態では、電荷出力素子の数は、4つであるが、本発明では、電荷出力素子の数は、1つ、2つ、3つ、または、5つ以上でもよい。 In the present embodiment, the number of charge output elements is four. However, in the present invention, the number of charge output elements may be one, two, three, or five or more.
また、本発明のロボットは、アームを有していれば、アーム型ロボット(ロボットアーム)に限定されず、他の形式のロボット、例えば、スカラーロボット、脚式歩行(走行)ロボット等であってもよい。 In addition, the robot of the present invention is not limited to an arm type robot (robot arm) as long as it has an arm, but is another type of robot such as a scalar robot, a legged walking (running) robot, or the like. Also good.
また、本発明の力検出装置は、ロボットに限らず、他の装置、例えば、電子部品搬送装置等の搬送装置、電子部品検査装置等の検査装置、部品加工装置、移動体、振動計、加速度計、重力計、動力計、地震計、傾斜計等の測定装置、入力装置等にも適用することができる。 The force detection device of the present invention is not limited to a robot, but other devices, for example, a transport device such as an electronic component transport device, an inspection device such as an electronic component inspection device, a component processing device, a moving body, a vibrometer, an acceleration It can also be applied to measuring devices such as gauges, gravimeters, dynamometers, seismometers, inclinometers, and input devices.
1…力検出装置
2…第1基部
20…貫通孔
22…第1部材
23…凸部
221…下面(第1面)
231…頂面
24…第2部材
241…雌ネジ
271…中心軸
272…中心
3…第2基部
30…貫通孔
32…第3部材
33…第4部材
321……上面(第2面)
331…内壁面
4…アナログ回路基板
41…孔
43…パイプ
5…デジタル回路基板
50…貫通孔
6、6A、6B、6C、6D…センサーデバイス(圧力検出部)
60…パッケージ(収容部)
71…与圧ボルト
10…電荷出力素子(圧電素子)
11…グランド電極層
12…第1のセンサー
121…第1の圧電体層
122…出力電極層
123…第2の圧電体層
13…第2のセンサー
131…第3の圧電体層
132…出力電極層
133…第4の圧電体層
14…第3のセンサー
141…第5の圧電体層
142…出力電極層
143…第6の圧電体層
151、152、153…配線
16…側壁部
161…筒状部
162…フランジ
171、172、173、174…ネジ
500…単腕ロボット
510…基台
520…アーム
521…第1のアーム要素
522…第2のアーム要素
523…第3のアーム要素
524…第4のアーム要素
525…第5のアーム要素
530…エンドエフェクター
531…第1の指
532…第2の指
600…複腕ロボット
610…基台
620…第1のアーム
621…第1のアーム要素
622…第2のアーム要素
630…第2のアーム
631…第1のアーム要素
632…第2のアーム要素
640a…第1のエンドエフェクター
641a…第1の指
642a…第2の指
640b…第2のエンドエフェクター
641b…第1の指
642b…第2の指
LD…積層方向
SD…挟持方向
NL1、NL2…法線
Qx、Qy、Qz…電荷
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ...
231 ...
331 ... Inner wall surface 4 ...
60 ... Package (container)
71 ...
DESCRIPTION OF
Claims (13)
前記第1部材に結合する第2部材と、
前記第2部材に結合する圧電素子と、を有し、
前記第1部材を構成する材料は、前記第2部材を構成する材料とは異なることを特徴とする力検出装置。 A first member;
A second member coupled to the first member;
A piezoelectric element coupled to the second member,
The material which comprises the said 1st member differs from the material which comprises the said 2nd member, The force detection apparatus characterized by the above-mentioned.
前記圧電素子および前記第2部材は、前記第1部材の端部に配置され、
前記第1部材の中央部に、貫通孔が形成されている請求項1に記載の力検出装置。 The first member has a plate shape,
The piezoelectric element and the second member are disposed at an end portion of the first member,
The force detection device according to claim 1, wherein a through hole is formed in a central portion of the first member.
前記第3部材に結合し、前記第2部材とで前記圧電素子を挟持する第4部材と、を有し、
前記第3部材を構成する材料は、前記第4部材を構成する材料とは異なる請求項1または2に記載の力検出装置。 A third member;
A fourth member coupled to the third member and sandwiching the piezoelectric element with the second member;
The material which comprises the said 3rd member is a force detection apparatus of Claim 1 or 2 different from the material which comprises the said 4th member.
前記圧電素子および前記第4部材は、前記第3部材の端部に配置され、
前記第3部材の中央部に、貫通孔が形成されている請求項3に記載の力検出装置。 The third member has a plate shape,
The piezoelectric element and the fourth member are disposed at an end of the third member,
The force detection device according to claim 3, wherein a through hole is formed in a central portion of the third member.
前記アームに設けられたエンドエフェクターと、
前記アームと前記エンドエフェクターの間に設けられ、前記エンドエフェクターに加えられる外力を検出する力検出装置と、を備え、
前記力検出装置は、第1部材と、
前記第1部材に結合する第2部材と、
前記第2部材に結合する圧電素子と、を有し、
前記第1部材を構成する材料は、前記第2部材を構成する材料とは異なることを特徴とするロボット。 Arm,
An end effector provided on the arm;
A force detection device that is provided between the arm and the end effector and detects an external force applied to the end effector;
The force detection device includes a first member,
A second member coupled to the first member;
A piezoelectric element coupled to the second member,
The material constituting the first member is different from the material constituting the second member.
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